Кодек сигнально-кодовой конструкции

СООЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 8327/ М 13/00, 13/1 ЕНИ НИЕ К АВТОРСКО ИДЕТЕЛ ЬСТВУ ики и электроники и Б.Хаахович я, Ы,; в О.Б., модуля Т)1 еагу Мацаяпе, 19 1(т) = Я з)пи Т Ф)= Я созал Тчсаз 2 к Т- семеистно функций, Сигкодовой конс дующему пра(2) й (1) в, ко- цен- ющие функцигн ало кубаследу ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(71) Институт радиофизАН Армении)ЕЕЕ Тгапзаст)опз опп 1 оппа 1 о1982, ч. Т, М 1, р,55-67ЕЕЕ Сопипцпса 1 опч 24, й.24, р. 25 - 38,Изобретение относится к,вычислительной технике и связи и может быть использовано при разработке аппаратуры передачи дискретных сообщений,Целью изобретения является повышение помехоустойчивости передачи-приема информации,достигаемое за счет использования многомерной сигнально-кодовой конструкции, что позволяет увеличить минимальное Евклидова расстояние между сигналами беэ увеличения мощности на передающем конце и без снижения скорости передачи,Сущность предлагаемого изобретения заключается в построении кодекса сигнально-кодовой конструкции, в котором сигнальные точки расположены не в двумерном, а в трехмерном Евклидовом пространстве, в чаСтности внешние сигналы фазовай манипуляции 8 - РЯК расположены не на окружности, а на поверхности шара единичного радиуса, в вершинах куба, вписанного в этот шар, При этом минимальное Евклидова расстояние между соседними точками увеличи(54) КОДЕК СИГНАЛЬНО-КОДОВОЙ КОНСТРУКЦИИ(57) Изобретение относится к вычислительной технике и связи. Его использование при разработке аппаратуры передачи дискретных сообщений позволяет повысить помехоустойчивость передачи-приема информации, Это достигается благодаря использованию многомерной сигнально-кодовой конструкции., в результате чего увеличивае ,я минимальное Евклидова расстояние между кодовыми сигналами без внесения дополнительной избыточности. 1 з,п,ф-лы, 17 ил,вается, что приводит к повышению помехоустойчивости без увеличения мощности и снижения скорости переда:и, Сказанное поясним следующими выкладками, Пусть бэзисных ортонормированныхналы г 1 редлагаемай сигнальнотрукции формируются по слевилу; 5 ф) . а 1 /71(т)+а 2 Ю 2(т)+аз 2 З(т= 1,2,8, а = +1Как следует из (2), семействаобразует множество из восьми сторце расположены в вершинатром в тачке (0,0,0,) и имеюткоординаты:1830623 ау/Рб( Ф 1 Х ЗУ 7 Ю 10 и Р О ю В ЯАУ 63 ОГ 17 Составитель Г. Манукян.Редактор Н. Коляда Техред М, Моргентал Корректор Н, Ревска Заказ 2527 Тираж Подписное . ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГК 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гага 0- Нижняя гронаца Л) -ь-Нцяняя граница ГЮ51 = (1,1,1) 55 -- (-1,1,1)32=(1 1) 88 = (-1,1-1)Яз = (1,-1,1) 7=(1-1,1) Б 4 = (1-1,-1) Я 8 = (-1,-1,-1) При этом куб является вписанным в сферу единичного радиуса,Пусть в качестве внешнего кода используется сверточный кад со скоростью 2 3 и порождающей матрицей1+х 1+хО6(х) = о 1 1+ (4)Диаграмма состояний кодера представлена на фиг.1, на фиг,2 - представлена решетчатая кодера.На этих диаграммах нулевому входному символу соответствуют пунктирные линии, а единичному символу соответствуют сплошные линии при этом знацения выходного сигнала показаны на концах стрелок,В каждом из четырех возможных состояний кодера разрешенными являются толька чегыре трехразрядные двоичные комбинации, каждая из которых соответствует вьгходномусигналу кодера.Значения сигналов на входе, выходе кодера и на входе и выходе модулятора представлены в таблице.Входные сигналы модулятора являются преобразованными выходными слгналами кодера. Суть преобразования заключается в следующем: каждый "0" выходного сигнала кодера заменяется на сигнал -1" и подается на вход модулятора,Заметим, что в состояниях "00" и "10" разрешенными кодовыми словами на выходе кодера являются 000, 011, ,110, 101, (или соответствующие кодовые слова на входе модулятора -1-1-1, -1 И, 11-1, 1-11) а в состояниях "01" и "11" разрешенными кодовыми словами на выходе кодера явлвотся 001, 010, 111, 100 (или соответствующие кодовые слова на входе модулятора -1- 11, -11-1, 1-1- 1). Тем самым, поскольку в каждом из состояний используются только етре максимально удаленных из восьми разрешенных символов, увелглчивается расстояние между этими сигналами, что достигается благодаря использованию описанного свертачного кода,Из вышесказанного следует, что использование кодека приводит к дополнительному увеличенио расстояния между сигналами сигнально-кодовой конструкции, что и приводит к дополнительному повышению помехоустойчивости, Оценку дополни- тельнаГО энерГетическоГО выигрыша произведем по увеличению расстояния между сигналами,В 1. Рассчитаем минимальное расстояниемежду сигналами в двумерном и трехмерном пространстве без кодирования,В двумерном пространстве, как видно5 из фиг,ба, минимальное расстояние междутачками равно стороне вписанного в окружность васьмиугальника, Из несложных расчетов получим:ЛОгп 1 п 2 = 2881 п ц (4)Учитывая, что В = 1, получим:7 ГОп п 2 = 231 П (5)В трехмерном пространстве (см,фиг,8 б), с15 учетом того, что й = 1, получим2 З (6)3Рассчитаем энергетический выигрышпри переходе ат двумерного пространства к20 трехмерному,Энергетический выигрыш равен( 23 )2г 1 пп 2 (2 з 1 п ) 28Энергетический выигрыш в логарифмической шкале равен:30 Е 1=10 ц ЬН 1=3,57 дБ2, Рассчитаем минимальное расстояниемежду сигналами в двумерном и трехмерном пространстве для системы с кодированием,35 В двумерном пространстве (см.фиг,8 в)минимальное расстояние между точкамиравно стороне вписанного в окружность четырехугольника,С учетом того, что Я = 1 получим:40бгпЬ 2 К = Г 2 (9)В трехмерном пространстве (см,фиг.8 г) сучетом того, что й = 1 получим:2 645 гппзк (1 О)Энергетический выигрыш для системы с кодированием равен2 /6 ) 3 50гппзк 3 1 33 1 гпп 2 К ( у 2 ) Энергетический выигрыш в логарифмической шкале равен55ЬЕ 2 = 10 9 ЬН 2 = 1,25 дБ (12), Рассчитаем полученный энергетический выигрыш системы с кодированием в трехмерном пространстве по отношению ксистеме без кодирования в двумерном пространстве(2 зп -)8 гггпгпзк2э -дгпгп 2 5 10 30 35 40 50 Блок преобразования состоит (фиг.15) из элементов НЕ 26, источника положительного напряжения 27, источника отрицательного напряжения 28, ключевых элементов 29 и элементов ИЛИ 30. Энергетический выигрыш в логарифмической шкале равенЛЕз = 10 1 ц ЬНз = 6,58 дБ (14) Таким образом, кодек позволяет увеличить минимальное Евклидово расстояние между сигналами без увеличения мощности сигнала и без снижения скорости передачи. 1 Это позволяет повысить помехоустойчивость стройства.На фиг.1 приведена диаграмма состояний кодера, на фиг,2 приведена решетчатая диаграмма состояний кодера, на фиг,З - 2 приведена структурная схема передающей части заявляемого устройства, на фиг.4 - приведена структурная схема приемной части заявляемого устройства, на фиг.5 - приведены эпюры напряжений, поясняющие 2 работу передающей части, на фиг.б - приведено геометрическое представление сигналов, на фиг.7 - 14 представлены формы выходных сигналов передающей части, на фиг.15 - приведена реализация блока преобразования, на фиг.16 - представлена верхйяя и. нижняя границы вероятности ошибки, на фиг.17 - представлен энергетический выигрыш.Кодек сигнально-кодовой конструкциг 1 содержит на передающей стороне первый сумматор по модулю два 1, первый регистр сдвига 2, второй сумматор по модулю два 3, второй регистр сдвига 4, третий сумматор по модулю два 5, блок преобразования б, первый перемножитель 7, второй перемножитель 8, третий перемножитель 9, синусоидального сигнала 10, фазовращатель 11, умножитель частоты 12, аналоговый сумма. тор 13, а на приемной стороне полосовой 4 фильтр 14, выделитель тактовой частоты 15, генератор синусоидального сигнала 16, фазовращатель 17, умножитель частоты 18, первый перемножитель 19, второй пере- множитель 20, третий перемножитель 21.первый фильтр низких частот 22, второй фильтр низких частот 23, третий фильтр низких частот 24, декодер Витерби с мягким решением 25. устройст;о раба-ает следу.ощим обраъомПусть на передающей сторонс входные безцзбцточные двоичные последовательности имеют вид; ке первом информационном входе комоинация 100111001010010001 (см, фиг,5 а), на втором - кокгбинация 111010110010000111 (см.фиг,5 б), Пусть входная информация поступает с тактовой частотой , (см.фиг,5 в), Информационныесигналы и тактовая частота подаются на соответствугощие входы сеерточного кодера, который осуществляет кодирование входного сигнала в соответствии с порождающей матрицей 6,Кодер состоит из первого, второго итретьего сумматоров по модулю два 1, 3, 5псрвого и второго регистров сдвига 2, 4. Как отме галось выше, кодер имеет четыре состояния, Сггстояггия соответствуют первымразрядам первого и второго двухразрядеыхрегистров сдвига 2, 4, Например, допустим в первом разряде первого регистра 2 сдвигаО, а в первом разряде второго регистра 4сдвига 1, Это означает, что кодер находитсяв состоянии 01. и кодирование и декодирование ведется в соответствии с этим состоянием, С г 1 риходом следующих информационных символов на входы реглстрое сдвига 2., 4 старая информация сдвигается во вторые разрядц этих регистров сдвига, а на их мес-,о записывается новая пришедшая информация. которая определяет состояние кодера.После саответствугощего суммирования разрядов первого и второго регистров сдвига 2, 4 первым, вторым и третьим сумматорами по модулю два 1, 3, 5 на вцходах первого (см.фиг,бг), второго (см,фиг.5 д) и третьего (см.фиг,5 е) сумматоров по модулюдва 1, 3, 5 формируется некоторая закодированная информация, которая подается на первый, второй и третий входы блока преобразоеания б, в котором осуществляется преобоазование входных биполярныхимпульсов в униполярные, т,е, каждой логическои "1" на входе соответствует сигнал+1, а каждому логическому "0" - сигнал -1.Входные и выходные сигналы кодера, атакже входные и выходные сигналы модулятора, в зависимости от состояния кодера приведены в табл.1.Выходные сигналы первого, второго, третьего выходов блока псеобразованияпредставлены на фиг.5 ж,з, и соответственно,Сигнал тактовой частоты поступает на вход генератора синусоидального сигнала 10, на вцходе которого получается сигналрф) = -. - з 3 п вй (фиг,5 к). Этот сигнал посту/2пает на вход фазовращателя 11, где происходит сдвиг фазы сигнала на л/2; Врезультате формируется сигнал рЯ 1) .=-)- з 1 п(йл+ 2) = соз ил (фиг.5 л), Получен 2 к 2ный сигнал поступает на вход умножителячастоты 12, где прои ходит умножение частоты на два, рф) = -Г- соз 2 вй (фиг,5 м). Сиг 2налы ух 1(1), ф, фз(т) поступают на вторыевходы первого, второго, третьего перемножителя 7 - 9 соответственно, на первые входы которых поступят сигналы с первого,второго, третьего выходов блока преобразования 6. Выходные сигналы первого 7(фиг,5 н), второго 8 (фиг.5 о), третьего (фиг,5 п)перемножителей поступают на соответствующие входы аналогового сумматора 13, свыхода которого (фиг,5 р) сигнал поступает в.канал связи.Выходные сигналы сумматора 13 приразных значениях коэффициентов а 1, а 2, азпредставлены на фиг, 7 - 14, Для наглядности представлено два периода выходногосигнала сумматора 13.С выхода аналогового сумматора 13 сигнал поступает в канал связи, с выхода которого искаженный сигнал поступит наприемной стороне (фиг, 4) на входы полосоа ваго фильтра 14 и выделителя тактовой частоты 15. Полосовой фильтр 14 выделяет изсмеси сигнала: и шума область частот, в которой осуществлялась передача информации,Выделитель тактовой частоты 15 осуществляет выделение сигнала тактовой частоты Ьо из рабочего сигнала.С выхода полосового фильтра сигналпоступает на корреляционный приемник,состоящий из первого, второго и третьегоперемножителя 19 - 21, первого 22, второго23, третьего 24 фильтров низких частот, декодера Витерби 25 с мягким решением,Для нормального функционированиякорреляционного приемника требуется создание определенных сигналов ( в данномслучае сигналов р 1 о 2 указ(т) ). Эту функцию выполняют генератор 16, фазовращатель 17, умножитель частоты 18.Сигнал тактовой частоты с выхода выделителя тактовой частоты 15 поступает навход генератора 16, на выходе которогоформируется сигнал р 1(т) = зЬ в, С выхода генератора 16 сигнал постуйает на фазовращатель 17, где формируется сигналЪ(1) =соз ы. Полученный на выходе фа зовращателя 17 сигнал рЯ 1) поступает на вход уыножнтелл частоты 18, на выходе хоторого формируется сигнал рф) = соз 22 вторые входы перемножителей 19-21 соответственно, на первые входы которых поступает сигнал с выхода полосового фильтра 14.Перемножители 19 - 21 служат для перемножения сигналов р а, рф) на входной сигнал прошедший через входной полосовой фильтр 14.С выходов перемножителей 19 - .21 сиг 10 налы поступят на входы первого 22, второго 23, третьего 24 фильтров низких частот, которые проигнорируют полученные сигналы. С выходов фильтров низких частот 2224 сигналы поступят на соответствующие 20 входы декодера Витерби с мягким решением 25, где происходит дальнейшая обработка и вынесение решений сигнала,После декодирования и вынесения рещения на выходе декодера Витерби с мягким решением 25 получим первый и второй информационные сигналы.Таким образом, как следует из анализа работы, в предложенном устройстве дости 30 гается поставленная цель - повышение помехоустойчивости передачи приема информации, обеспечиваемая за счет использования многомерной сигнально-кодовой конструкции, что позволяет увеличить минимальное Евклидово расстояние между сигналами без внесения дополнительной избыточности.Расчет помехоустойчивости предложенного устройства показал, что его исполь 40 зова ние в цифровых системах передачи-приема позволяет получить дополнительный энергетический выигрыш, что дает существенное улучшение техникоэкономических параметров существующей аппаратуры передачи дискретных сообщений,Формула изобретения 1. Кодек сигнально-кодовой конструкции, содержащий на передающей стороне первый регисто сдвига, информационный вход которого является первым информационным входом передающей стороны, генератор синусоидального сигнала, выход которого подключен непосредственно и через фазовращатель к первым входам соответственно первого и второго перемножителей, выходы которых соединены с первым и вторым входами аналогового сумматора, выход которого является выхо 5.ю Сигналы рф), дф), рф) поступают надом передающей стороны, на приемной стороне - полосовой фильтр, вход которого является входом приемной стороны, генератор синусоидального сигнала. выход которого непосредственно и через фазовращатель соединен с первыми входами соответственно первого и второго перемножителей, выход полосового фильтра подключен к вторым входам первого и второго перемножителей, выходы которых соединены через соответственно первый и второй фильтры нижних частот с первым и вторым информационными входами декодера Витерби с мягким решением, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения помехоустойчивости передачи-приема информации, на передающей стороне введены первый-третий сумматоры по модулю два, блок преобразования, умнокитель частоты, третий перемножитель и второй регистр сдвига, информационный вход которого является вторым информационным входом передающей стороны, тактовые входы реГистров сдвига объединены с входом генератора синусоидального сигнала и являются тактовым входом передающей стороны, вход и выход умножителя частоты подключены соответственно к выходу фазовращателя и первому входу третьего перемножителя, выход которого соединен с третьим входом аналогового сумматора, выход первого разряда второго регистра сдвига соединен с третьим входом второго сумматора по модулю два и первым входом третьего сумматора по модулю два, в.ход второго разряда второго регистра сдвига подключен к второму входу третьего сумматора по модулю два, выходы первого-третьего сумматоров по модулю два соединены соответственно с первым-третьим входами блока преобразования, первый-третий выходы которого подключены к вторым входам соответственно первого-третьего перемножителей, на приемной стороне введены умножитель частоты, третий перемножитель.5 третий фильтр нижних частот и выделительтактовой частоты, вход которого подключен к входу приемной стороны, выход выделителя тактовой частоты соединен с входом генератора синусоидального сигнала и 10 тактовым входом декодера Витерби с мягким решением, вход и выход умножителя частоты подключены соответственно к выходу фазовращателя и первому входу третьего перемножителя, второй вход которого 15 подключен к выходу полосового фильтра,выход третьего перемножителя через третий фильтр нижних частот соединен с третьим информационным входом декодера Витерби с мягким решением, первый и вто рой выходы которого являются одноименными выходами приемной стороны,2, Кодек по п,1, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что на передающей стороне блок преобразования содеркит первый - шестой ключе. вые элементы, первый-третий элементыИЛИ, источник положительного напряжения, источник отрицательного напряжения и первый-третий элементы НЕ, вход 1-го элемента НЕ ( = 1, 2, 3) обьединен с управляю щим входом (21-1)-го ключевого элемента иявляется 1-м входом блока, выход 1-го эле. мента НЕ соединен с управляющим входом(2)-го ключевого элемента, информацион.ный вход которого подключен к выходу ис точника отрицательного напряжения, выходисточника положительного напряжения соединен с входом (21-1)-го ключевого элемента, выходы (21-1)-го и (21)-го ключевых элементов подключены к первому и второму 40 входам 1-го элемента ИЛИ, выход которогоявляется 1-м выходом блока.